基于VISSIM 仿真的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

白如意，汪 濤，付晶燕，趙 靖BAI Ruyi, WANG Tao, FU Jingyan, ZHAO Jing

（1. 上海理工大學(xué)管理學(xué)院，上海 200093；2. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3. 中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100044）

0 引 言

隨著交通需求的劇增，城市道路負(fù)荷也隨之急劇增長(zhǎng)，提高交叉口運(yùn)行效率可以有效地改善道路整體狀況。但大量實(shí)踐表明，建設(shè)大量交通基礎(chǔ)設(shè)置，管控路面上的車(chē)流，已經(jīng)難以滿足道路發(fā)展的需要。加強(qiáng)交通基礎(chǔ)建設(shè)已是優(yōu)化交通管控的傳統(tǒng)措施，而在當(dāng)下以及未來(lái)，相對(duì)于路網(wǎng)改造，交叉口的信號(hào)配時(shí)已成為解決擁堵的重要手段，它可以節(jié)省成本，提高通行效率，更好地發(fā)揮交通信號(hào)的作用。

交叉口作為道路通行能力、路網(wǎng)通行效率的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一直是國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的研究重點(diǎn)。韓義磊從車(chē)道功能劃分和信號(hào)配時(shí)兩方面提出對(duì)交叉口的交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并利用VISSIM 進(jìn)行優(yōu)化前后建模仿真，論證了交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性；徐琛輝在對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)及行人流的自身特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，提出了混合交叉口交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法；陳凱佳利用VISSIM 仿真軟件對(duì)待行區(qū)設(shè)置進(jìn)行了微觀建模仿真，在不改變交叉口幾何布局的基礎(chǔ)上，以?xún)?chǔ)備最大通行能力為目標(biāo)，確定了待行區(qū)設(shè)置方式的適用條件。

綜上，目前對(duì)于優(yōu)化信號(hào)配時(shí)以提高交叉口通行能力已有相關(guān)研究，但是對(duì)于重新進(jìn)行相位方案設(shè)計(jì)來(lái)減少交通沖突，使得交叉口的通行秩序更為井然的考慮較少，本文將結(jié)合碳排放的分析強(qiáng)化交叉口優(yōu)化的結(jié)果。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以提高交叉口通行能力為目標(biāo)，在仿真建模下對(duì)比分析延誤時(shí)間、停車(chē)次數(shù)、排隊(duì)長(zhǎng)度以及交叉口尾氣排放等因素，給出提高交叉口通行能力的優(yōu)化方案。

1 交叉口概況

1.1 交叉口性質(zhì)和沿線環(huán)境

八一南街—賓虹路交叉口是由東西向的賓虹路和南北向的八一南街交匯而成的。本交叉口是金華市一個(gè)非常典型的由主干路相交的大型“十字”信號(hào)控制交叉口，交叉口面積較大，達(dá)600 多平方米。交叉口處設(shè)有紅綠信號(hào)燈控制、監(jiān)控設(shè)置、電子警察，四周標(biāo)志標(biāo)線齊全。通過(guò)觀察，交叉口存在行人、自行車(chē)橫穿馬路，機(jī)動(dòng)車(chē)與非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人沖突的現(xiàn)象。

八一南街是金華市的主要干道之一，北起通濟(jì)橋，南至330 國(guó)道，承擔(dān)著較大的南北向交通量；賓虹路也是一條主要干道，沿線布置眾多商場(chǎng)、裝飾店、餐飲店，承擔(dān)著較大的東西向交通量。故八一南街—賓虹路交叉口也是金華市的重要交叉口之一，組織好此交叉口的交通對(duì)整個(gè)區(qū)域交通意義重大。

八一南街—賓虹路交叉口，南北進(jìn)口采用5 進(jìn)3 出的形式，左、直、右分道行駛；東西進(jìn)口采用4 進(jìn)2 出的形式，左、直、右分道行駛，如圖2 所示。

圖1 八一南街—賓虹路交叉口衛(wèi)星圖

圖2 八一南街—賓虹路交叉口機(jī)動(dòng)車(chē)道分布情況示意圖

1.2 現(xiàn)狀信號(hào)控制特征

按照相位階段，現(xiàn)狀相位可分為4 個(gè)相位階段（如圖3 所示），南、北和東、西兩個(gè)主相位均采用左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，東、西向右轉(zhuǎn)始終開(kāi)啟，行人與機(jī)動(dòng)車(chē)直行同時(shí)放行，非機(jī)動(dòng)車(chē)采用與機(jī)動(dòng)車(chē)相同的放行方式。

圖3 交叉口現(xiàn)狀相位圖

按照車(chē)流劃分，現(xiàn)狀可分為4 個(gè)相位，現(xiàn)狀周期時(shí)長(zhǎng)104s，黃燈時(shí)間2s。相位間轉(zhuǎn)換時(shí)，插入黃燈。依據(jù)交通調(diào)查員反饋的信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)狀信號(hào)燈配時(shí)方案如圖4 所示。

圖4 現(xiàn)狀配時(shí)圖

1.3 車(chē)流量現(xiàn)狀

本次調(diào)查用人工計(jì)數(shù)法對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)行了12 小時(shí)（7:00～19:00） 分流向和車(chē)型的調(diào)查，調(diào)查于八一南街和賓虹路交匯處進(jìn)行，4 位調(diào)查員于每個(gè)進(jìn)口道實(shí)時(shí)記錄車(chē)流量的數(shù)據(jù)。本文選取調(diào)查期間交叉口流量最高的10:00～11:00 作為優(yōu)化時(shí)段，將交通量按車(chē)型折算后的車(chē)流量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 交叉口機(jī)動(dòng)車(chē)交通量匯總表

2 信號(hào)配時(shí)優(yōu)化

2.1 相位方案設(shè)計(jì)

（1） 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位

左轉(zhuǎn)保護(hù)相位的判斷以2 相位為起點(diǎn)，即在相關(guān)參數(shù)（如穿越對(duì)向車(chē)道數(shù)和對(duì)向交通量等） 的數(shù)值是以2 相位為前提的。南、北出口有3 條出口道，東、西出口有2 條出口道，根據(jù)表2 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位設(shè)置判斷，每個(gè)進(jìn)口道都需要設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位。

情況 3.1 {4,5}是Y中頂點(diǎn)色集合,則C2∪C3中至多有6個(gè)集合,設(shè)為C1,C2,C3,C4,C5,C6不是Y中頂點(diǎn)色集合。由{4,5}是Y中頂點(diǎn)色集合,可得:C(ui), i=1,2,…,10,或C(ui), i=1,2,…,10,不妨設(shè)前者成立。由于C(ui)≠C(vj),從而每個(gè)C(ui)只能是以下集合之一:{1,4},{2,4},{3,4},C1,C2,C3,C4,C5,C6,矛盾。

表2 左轉(zhuǎn)保護(hù)相位設(shè)置判斷

（2） 右轉(zhuǎn)相位的設(shè)置

根據(jù)交叉口交通流的狀況，由于已經(jīng)確定設(shè)置左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，可利用交叉口道路左轉(zhuǎn)保護(hù)相位來(lái)設(shè)置右轉(zhuǎn)保護(hù)相位，由于每個(gè)進(jìn)口道都只有一條右轉(zhuǎn)車(chē)道，因此右轉(zhuǎn)采用與對(duì)向左轉(zhuǎn)同步放行的形式。

根據(jù)上述方案，設(shè)置相位的連接，確定完整的相位初始方案（如圖5 所示）。由于每個(gè)主相均采用滯后左轉(zhuǎn)相位的形式，所以?xún)蓚€(gè)主相間的連接形式為左轉(zhuǎn)接直行，此種連接形式兼容性較好，能夠滿足需求。

圖5 初步相位方案

2.2 優(yōu)化后信號(hào)配時(shí)方案

（1） 黃燈時(shí)間

其中：Y 為黃燈時(shí)間（s）；t為駕駛員反應(yīng)時(shí)間（s），一般取1.0s；s為進(jìn)口道85%位車(chē)速（m/s），可用平均車(chē)速代替；a為減速度（m/s），可取3m/s。

（2） 全紅時(shí)間

其中：AR 為全紅時(shí)間（s）；w 為交叉口需清空的寬度，從停車(chē)線到最遠(yuǎn)沖突車(chē)道中心線的距離（m），此處取15m；l 為車(chē)身長(zhǎng)度（m），一般取6.1m；s為進(jìn)口道15%位車(chē)速（m/s），可用平均車(chē)速代替。

（3） 信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)

（4） 綠信比和綠燈時(shí)間分配

其中：V為一股關(guān)鍵車(chē)流的關(guān)鍵交通量（vph）；V為關(guān)鍵交通量總和（vph），這里為1 224vph；G為周期總有效綠燈時(shí)間（s）。

通過(guò)行人過(guò)街所需要的時(shí)間作為最短綠燈時(shí)間，檢驗(yàn)上述計(jì)算的顯示綠燈時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)Webster 方法計(jì)算得到，優(yōu)化后的周期時(shí)長(zhǎng)為123s，黃燈時(shí)間為2s，全紅時(shí)間為2s，且行人相位時(shí)間滿足小于綠燈時(shí)間。最終配時(shí)方案分為4個(gè)相位階段，與初始相位方案一致，南、北和東、西兩個(gè)主相均采用左轉(zhuǎn)保護(hù)相位，行人與機(jī)動(dòng)車(chē)同時(shí)放行，非機(jī)動(dòng)車(chē)采用與機(jī)動(dòng)車(chē)相同的放行方式。

3 優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 交叉口仿真

VISSIM 是德國(guó)PTV 公司開(kāi)發(fā)的微觀仿真軟件，它可以綜合考慮各種影響路網(wǎng)運(yùn)行的因素，例如車(chē)道類(lèi)型、車(chē)輛種類(lèi)、信號(hào)控制等，通過(guò)周期運(yùn)行，產(chǎn)生評(píng)價(jià)路網(wǎng)服務(wù)水平及運(yùn)行效率的結(jié)果。本文采用VISSIM 微觀仿真軟件對(duì)八一南街—賓虹路交叉口進(jìn)行交通仿真分析，分別在4 個(gè)進(jìn)口道處設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，信號(hào)燈設(shè)置以及優(yōu)化后的仿真效果圖如圖7 所示。

圖7 交叉口仿真效果圖

3.2 仿真結(jié)果分析

提高交叉口的通行效率是優(yōu)化信號(hào)配時(shí)的主要目標(biāo)，機(jī)動(dòng)車(chē)在交叉口產(chǎn)生的有害氣體是造成環(huán)境污染的重要原因，因此，本文選取平均停車(chē)延誤、平均停車(chē)次數(shù)、平均排隊(duì)長(zhǎng)度以及尾氣排放相應(yīng)參數(shù)作為輸出指標(biāo)，信號(hào)配時(shí)方案優(yōu)化前后的參數(shù)輸出如表3 及表4 所示。對(duì)優(yōu)化前后的信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

表3 優(yōu)化前后交叉口通行效率評(píng)價(jià)

表4 優(yōu)化前后交叉口尾氣排放量參數(shù)評(píng)價(jià)

圖6 信號(hào)優(yōu)化配時(shí)圖

由交叉口優(yōu)化前后的評(píng)價(jià)參數(shù)可得，雖然南北方向在通行效率上有所降低，但是東西方向車(chē)流的效率有十分明顯的提高，因此，總體來(lái)說(shuō)，交叉口的整體效率在優(yōu)化后會(huì)有明顯的提高，尾氣排放量將會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。整體交叉口的通行效率參數(shù)對(duì)比如表5 所示，可以明顯得到優(yōu)化后的交叉口信號(hào)配時(shí)方案與現(xiàn)狀的配時(shí)方案總體車(chē)均延誤降低了17.33%，總體停車(chē)次數(shù)降低了21.13%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度降低了36.51%，交叉口通行效率得到了顯著的提高；尾氣排放物及油耗也有所減少，對(duì)環(huán)境影響有一定的積極作用。

表5 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展和人民生活水平的提高，在一些中小城市，人們的出行方式逐漸向小汽車(chē)轉(zhuǎn)移，這使得汽車(chē)保有量不斷增加從而導(dǎo)致道路通行能力下降。在不改變交叉口幾何形態(tài)以及減少人力物力的消耗，優(yōu)化交叉口信號(hào)配時(shí)是目前較普遍的優(yōu)化措施。目前，我國(guó)關(guān)于大城市的信號(hào)交叉口交通組織優(yōu)化研究已非常成熟，但是一些中小城市的交通組織特征與大城市有所不同，因此關(guān)于信號(hào)交叉口的配時(shí)優(yōu)化方案需要進(jìn)一步研究。

本文以金華市八一南街—賓虹路交叉口為例，通過(guò)調(diào)查所得的數(shù)據(jù)，采用韋伯斯特配時(shí)法，結(jié)合交叉口的實(shí)際情況對(duì)信號(hào)燈重新配時(shí)，利用VISSIM 仿真軟件對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行仿真建模，以平均停車(chē)延誤、平均排隊(duì)長(zhǎng)度、尾氣排放參數(shù)對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后整體交叉口的運(yùn)行效率有明顯提高以及尾氣排放量有所減少。本文的研究成果可以為中小城市在不改變交叉口形態(tài)的條件下，對(duì)提高交叉口運(yùn)行效率提供參考。